HEMTs AlGaN/GaN com Ruptura de 803 V: Passivação SiNx Dopada com Flúor Resulta em Baixa Resistência ON Dinâmica

Resumo

Introduzimos transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT) AlGaN/GaN que atinge tensão de ruptura (BV) de 803 V e modesto aumento de 23% na resistência ON dinâmica (R_ON,D) comparado a dispositivo convencional. Inovação chave é implantação de íons flúor dentro da camada espessa de passivação Si₃N₄ localizada entre porta e dreno. Diferente de implantação de flúor na barreira fina de AlGaN, esta configuração coloca pico de íons e distribuição de lacunas longe do gás de elétrons bidimensional (2DEG), suprimindo degradação tanto DC quanto dinâmica pulsada. Além disso, flúor implantado estende região de depleção e eleva campo elétrico médio (E-campo) através do canal porta-dreno, fundamentando BV aprimorado.

Fundamentação

HEMTs AlGaN/GaN baseados em GaN são tecnologia de ponta para aplicações de alta potência, alta frequência e baixa perda, graças ao seu alto campo crítico de ruptura e mobilidade excepcional de elétrons. No entanto, tensões de ruptura máximas relatadas permanecem bem abaixo dos limites teóricos, tornando imperativo elevar BV sem aumentar dimensões do dispositivo. Várias estratégias de terminação — como placas de campo, implantação de íons flúor, e terminação de borda de porta recuada — foram exploradas para aumentar BV. Implantação de flúor na barreira fina de AlGaN (FBL) oferece processo simples e capacitância parasita mínima, mas proximidade do pico de flúor e distribuição de lacunas ao 2DEG pode degradar desempenho estático e dinâmico do dispositivo. Neste trabalho, demonstramos experimentalmente que implantação de flúor na camada espessa de passivação Si₃N₄ (FPL) preserva integridade do 2DEG enquanto simultaneamente otimiza distribuição de E-campo de superfície. O HEMT resultante exibe características estáticas e dinâmicas superiores.

Métodos de Fabricação

Figura 1 ilustra layout tridimensional dos HEMTs FPL, FBL e convencional (Conv.). Todos dispositivos compartilham dimensões de porta idênticas: comprimento de porta L_G=2,5 µm, espaçamento porta-fonte L_GS=1,5 µm, e espaçamento porta-dreno L_GD=10 µm. Pilha epitaxial, crescida em substrato Si (111) de 6 polegadas por deposição química de vapor orgânico-metálico (MOCVD), consiste em capa GaN de 2 nm, barreira Al₀.₂₅Ga₀.₇₅N de 23 nm, intercamada AlN de 1 nm, canal GaN de 150 nm, e buffer GaN de 3,5 µm. Medidas Hall resultaram em densidade 2DEG de 9,5×10¹² cm⁻² e mobilidade de 1500 cm²/V·s.

Fabricação iniciou com isolamento de mesa via gravação ICP de alta potência Cl₂/BCl₃. Camada LPCVD Si₃N₄ de 40 nm depositada a 780 °C/300 mTorr (NH₃=280 sccm, SiH₂Cl₂=70 sccm), alcançando 3,7 nm/min. Elipsometria mediu índice de refração 1,978 e razão N/Si de 1,31; HR-TEM confirmou cristalinidade amorfa (inset, Fig. 1a).

Janelas de fonte e dreno abertas por gravação seca SF₆, seguidas por deposição de Ti/Al/Ni/Au (20/150/45/55 nm) e recozimento rápido a 890 °C por 30 s em N₂. Resistência de contato resultante 1 Ω·mm e resistência de folha 400 Ω/□.

Eletrodo de porta definido por Ni/Au (50/150 nm) lift-off. Janela de implantação de flúor de 3 µm padronizada com resist AZ5214, e íons implantados a 10 keV com dose de 1×10¹² cm⁻² usando implantador SEN NV-GSD-HE. Recozimento final a 400 °C por 15 min em N₂ completou processo.

Resultados e Discussão

Figura 2 apresenta perfis de espectrometria de massa de íons secundários (SIMS) de flúor e distribuição de lacunas simulada por TRIM para dispositivos FPL (a) e FBL (b). Embora concentração de pico de flúor e profundidade sejam similares em ambos casos, distribuição de lacunas no dispositivo FBL estende-se ao canal 2DEG, enquanto no dispositivo FPL permanece confinada dentro da camada Si₃N₄, longe do canal. Como lacunas próximas ao 2DEG podem aprisionar portadores, abordagem FPL reduz dramaticamente degradação estática e dinâmica.

Figura 3 mostra curvas I-V de transferência e saída. Comparado com HEMT Conv., ambos dispositivos FPL e FBL exibem leve aumento na resistência ON estática devido a depleção do 2DEG e mobilidade reduzida (mobilidades pós-implantação: 228 cm²/V·s para FPL, 203 cm²/V·s para FBL). Em baixo viés de dreno (V_DS < 3 V), resistência ON dos dispositivos FPL e FBL é quase idêntica. No entanto, para V_DS > 3 V, dispositivo FBL sofre colapso de corrente de dreno de saturação porque seu perfil de lacunas alcança canal 2DEG, enquanto dispositivo FPL mantém corrente de dreno estável.

Figura 4 demonstra características I-V de estado desligado e distribuições simuladas de E-campo de superfície. BVs medidos são 803 V (FPL), 746 V (FBL) e 680 V (Conv.). Implantação de flúor entre porta e dreno reduz pico de E-campo na borda da porta e introduz novo pico na borda da região de implantação, resultando em campo mais uniforme e BV maior. Dispositivo FBL beneficia-se de modulação de campo mais forte mas sofre dano adicional de barreira, levando a BV ligeiramente menor comparado a FPL.

Medidas I-V pulsadas conduzidas para avaliar resistência ON dinâmica (R_ON,D) com comutação lenta (largura de pulso 3 ms, período 5 ms). Figura 5 compara saída pulsada sob viés zero e estresse de dreno 100 V. HEMT Conv. mostra apenas aumento de 12,3% em R_ON,D, enquanto R_ON,D do dispositivo FBL quase dobra (aumento 98%). Em contraste, dispositivo FPL exibe apenas aumento de 23%, demonstrando que distribuição de lacunas confinada à camada de passivação suprime efetivamente aprisionamento de carga.

Conclusões

Demonstramos HEMT AlGaN/GaN de alto desempenho que atinge tensão de ruptura de 803 V enquanto mantém resistência ON dinâmica apenas 1,23 vezes seu valor estático após pulso de estresse de dreno 100 V. Implantação de flúor na camada espessa de passivação Si₃N₄ preserva integridade do 2DEG, suprime aprisionamento de carga e otimiza campo elétrico de superfície, permitindo aumento substancial de BV de 680 V (convencional) para 803 V.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos no artigo publicado.

Abreviações

2DEG

Gás de elétrons bidimensional

HEMT

Transistor de alta mobilidade de elétrons

ICP

Plasma acoplado indutivamente

LPCVD

Deposição química de vapor a baixa pressão

MOCVD

Deposição química de vapor orgânico-metálico

SIMS

Espectrometria de massa de íons secundários

TEM

Microscópio eletrônico de transmissão